研究開発に見た遠回りの結論にあきれる -水素エンジンと点火装置-


2015年9月13日日曜日

数式を使わない、クルマの走行安定性の話・15/17


タイヤの直進性に関係するのは、キャスター角を付けることで発生するトレールだが、それだけではない

キャスター角について考えると、普通に思うことは、角度を小さくするように立てると、ステアリング操作は軽くなること。最近のスポーツバイク、レーシングバイクは、どれもキャスター角が以前より小さく立っている。

これはコーナリングの限界点を上げるため、フロントにおいても太いタイヤを履くことで生じるハンドリングの向上が目的になる。ところが、これまでのキャスター角ではタイヤに多くの荷重がかかるだけでなく、ステアリング操作したときの路面に対する軌跡が大きく、ハンドリングは軽くできない。太いタイヤを履いてもハンドリングを軽くする(ヒラヒラ感を出す)には、キャスター角を小さく立てることが必要になったからだ。

単純にキャスターを小さく立てると、ハンドリングは軽くなるが、キャスターと関係するトレールが減少する。トレールが減少するとタイヤ(ホイール)のスピンドルに発生する、ホイールを前方に引いていくという力が減少する。これが減少すると直進安定性が悪くなる。

そこで、バイクの場合ではフロントフォークをステアリングヘッドに取り付ける、フォークブラケットのオフセット量を少なくして、必要なトレール量を確保する。或いはホイールスピンドルの位置を手前に持ってきてトレール量を確保する(スクーターなどに見られる)。ハンドルの切れ角は非常に少なくなるが、回転半径をそれほど要求しないスポーツバイクやレーシングバイクでは、ほとんど関係ない状態である。

つまり、タイヤ(ホイール/クルマ)の直進安定性(これで全てが決まるわけではない)を保つのはステアリングのセルフアライニング(走り出すことで自然に進行方向にハンドルが戻る現象)に関係するのはキャスター角よりも、それによって発生するトレールが大きく関係しているのである。

キャスターを取ることで、ハンドルを操作してから手放しすると、ハンドルが自然と元の位置へ戻るため、つい勘違いしてしまうが、これは、キャスター角を付けることでトレールが生まれ、ハンドル操作によってタイヤが向きを変えても、走り出すことでホイールスピンドル軸に対して引っ張る方向の力が発生し、自然に進行方向を向くからである。キャスター角によってタイヤが変形し、それが戻ることも関係しているだろう。そのため、タイヤ幅が広いとステアリングはかなり強烈に戻る。

キャスター角がゼロ或いは90度(つまり垂直)で、トレールだけが存在するものとして、スーパーマーケットにあるお買い物カートの転がり部分や、オフィスで使われる椅子の足にある、自在キャスターと呼ばれるものがある。

これの転がり具合をよく観察すると、必ずホイールは進行方向を向く(進行方向にあるわけではない)。上部に乗るものに引っ張られる形となるため、自由に何処へでも向きを変える構造と、オフセットされたホイールの軸は、常に引きずり状態で力が掛かり、結果的にホイールは進行方向を保つことになる。つまり直進安定性がひとりでに起こる。しかも速度を増せば増すほどその傾向が強くなる。

自在キャスターだが、この状態だと右へ移動している。キャスター角がなくても、そこにはバイクやクルマとは違う位置にトレールが出来上がる。そのため安定して転がる
 
ただし、ホイールが小さいと路面の状態をもろに受けて、速度を増せば増すほど首振り現象が多く発生するが、いきなり進行方向が変わることはない。それによりスタビリティは失われるが・・・